2022, Vol. 42
2. 河北经贸大学信息技术学院，石家庄市学府路47号，050061;
3. 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉市徐东大街340号，430077
近年来，唐山地区接连发生MS≥4.0地震，地震活动呈增强趋势。2021-04-16唐山滦州发生MS4.3地震，其震中距离2015年昌黎MS4.2地震和1976年滦州MS7.1地震分别为9 km和10 km(图 1(a))，滦州MS4.3地震对唐山地区未来地震危险性是否具有指示意义，3次地震之间是否存在成因关联，都是亟需厘清的科学问题。地震学研究表明，唐山地区地震活动可能与壳内高、低速层相间分布的包体现象有一定关系，即低速层比较软弱，难以积累应变能，当地壳受力时容易发生蠕变，将应力传递给上部地壳，并在其内部形成应力集中，从而引发地震[1-3]。唐山东部及邻区(滦州-昌黎)沉积盖层厚度约为3~4 km[4]，且该区台网密度较低，对震源深度结果的准确性有一定影响，而准确的震源深度是探讨地震成因的先决条件。
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图 1 京津冀地震台站和滦州MS7.1地震、滦州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及昌黎MS3.3地震震中位置及断裂分布 Fig. 1 Distribution map of Beijing-Tianjin-Hebei stations and epicenters of Luanzhou MS7.1 earthquake, Luanzhou MS4.3 earthquake and Changli MS4.2 earthquake, Changli MS3.3 earthquake along with the faluts around |
目前，关于滦州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及滦州MS7.1地震的发震构造及成因联系的认识较少。本文基于京津冀地区地震台网的观测资料，首先采用CAP方法[5-6]反演滦州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震源机制及矩心深度，然后利用近震深度震相[7]获得准确的震源深度结果，最后采用双差定位法[8]确定滦州MS4.3地震序列及昌黎MS4.2地震序列的震源分布，并结合该区地质构造资料及滦州MS7.1地震震源参数结果，深入分析发震构造及成因关联，为认识唐山东部地区的地震活动及构造意义等提供帮助。
1 地震震源机制解滦州MS4.3地震和昌黎MS4.2地震发生于唐山东部地区(图 1(b))，该区地壳速度结构较为复杂，不仅具有较厚的沉积层，而且还有显著的低速层等[4, 9-13]。因此，本文将充分考虑已有研究成果[4, 9-13]，并参考Crust1.0地壳模型，构建研究区速度模型(图 2)。
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图 2 滦州-昌黎震源区地壳速度模型 Fig. 2 Crustal velocity model of the Luanzhou-Changli source area |
基于图 2地壳速度模型，选取京津冀地区地震台网中位于滦州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震震中距350 km范围内信噪比高且分布较均匀的台站宽频带波形资料，选用CAP方法计算地震震源机制解及矩心深度。CAP方法受观测资料数量及台站分布等影响较小[5-6]，有利于获得可靠的震源机制解结果。另外，体波和面波的相对强度及体波部分中包含的深度震相信息可很好地测定地震震源深度[5-6]，为发震构造的确定及孕震机理的分析等提供重要依据。反演计算时滤波频段分别设定为0.05~0.15 Hz(体波)和0.05~0.1 Hz(面波)。
图 3(a)~5(a)分别展示了滦州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震源机制解和最优拟合深度时部分台站理论波形与观测波形的拟合情况，其中滦州MS4.3地震12个台站体波与面波共有51个震相，相关系数大于80%的占86.3%，昌黎MS4.2地震12个台站体波与面波共有45个震相，相关系数大于80%的占91.1%，昌黎MS3.3地震10个台站体波与面波共有44个震相，相关系数大于80%的占81.8%，满足震源机制解可靠性条件[14]。由表 1可知，3次地震同为走滑型地震，P轴方位角分别为257°、57°和54°，表现为近NWW-SEE向，与渤海湾盆地区域构造应力场较为吻合[1, 15]。
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波形左侧数据依次为台站名、震中距(单位 km) 及方位角(单位(°)), 波形下方的数字表示理论波形相对于实际波形的移动时间(单位 s) 及二者的相关系数 图 3 滦州MS4.3地震震源机制解 Fig. 3 Focal mechanism solutions of the Luanzhou MS4.3 earthquake |
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波形左侧数据依次为台站名、震中距(单位 km) 及方位角(单位(°)), 波形下方的数字表示理论波形相对于实际波形的移动时间(单位 s) 及二者的相关系数 图 4 昌黎MS4.2地震震源机制解 Fig. 4 Focal mechanism solutions of the Changli MS4.2 earthquake |
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波形左侧数据依次为台站名、震中距(单位 km) 及方位角(单位(°)), 波形下方的数字表示理论波形相对于实际波形的移动时间(单位 s) 及二者的相关系数 图 5 昌黎MS3.3地震震源机制解 Fig. 5 Focal mechanism solutions of the Changli MS3.3 earthquake |
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表 1 基于不同速度模型反演得到地震震源机制解及矩心深度、滦州MS7.1地震震源机制解和震源深度 Tab. 1 Seismic focal mechanism solutions and centroid depths, Luanzhou MS7.1 earthquake focal mechanism solution and focal depths are obtained based on inversion of different velocity models |
为进一步确认震源机制解及矩心深度结果的准确性，基于不同的速度模型[16]，采用CAP方法对滦州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震重新开展反演计算，结果基本一致(表 1)，表明该结果较为准确，3次地震的最优拟合深度分别为8 km、11 km和10 km。
2 地震震源深度准确的地震震源深度是确定发震构造及成因的关键震源参数[18]，为此本文采用近震深度震相测定滦州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震源深度。通过对上述地震波形资料开展分析发现，在距滦州MS4.3地震震中32 km的昌黎台(CLI)和61 km的迁西台(QIX)径向分量上有较清晰的sPL近震深度震相(图 6)，在距昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震震中42 km的陡河台(DOH)径向分量上有较清晰的sPL近震深度震相(图 7)。本文首先基于F-K方法[19]计算上述台站的理论地震波形，然后将其与观测波形资料进行对比。如图 6~7所示，在8 km及10.5 km深度处观测波形sPL深度震相与其理论地震波形拟合较好，与CAP方法反演3次地震获得的最优拟合深度较吻合。
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黑色波形为合成地震波形, 红色波形为实测波形, 积分至位移, 采用1 Hz低通滤波 图 6 采用sPL深度震相测定滦州MS4.3地震震源深度 Fig. 6 Resolving focal depth for Luanzhou MS4.3 earthquake with sPL wave |
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黑色波形为合成地震波形, 红色波形为实测波形, 积分至位移, 采用1 Hz低通滤波 图 7 采用sPL深度震相测定昌黎MS4.2地震和昌黎MS3.3地震震源深度 Fig. 7 Resolving focal depth for Changli MS4.2 earthquake and Changli MS3.3 with sPL wave |
滦州MS4.3地震序列及昌黎MS4.2地震序列的活动特征存在一定差异，其中滦州地震序列余震活动较为丰富，而昌黎地震序列余震与前震活动均较少。根据中国地震正式目录，截至2021-05-01 06:00记录到的滦州MS4.3地震序列中ML≥1.0地震18次，其中ML1.0~1.9地震14次，ML2.0~2.9地震3次，ML≥4.0地震1次；截至2015-10-08 15:00记录到的昌黎MS4.2地震序列中ML≥1.0地震13次，其中前震5次，余震7次，ML1.0~1.9地震7次，ML2.0~2.9地震4次，ML3.0~3.9地震1次，ML≥4.0地震1次，最大余震为ML3.9。
基于震中距200 km范围内台站记录到的震相信息和图 2地壳速度模型，采用双差定位法中奇异值分解法对地震序列进行重定位，得到震源位置分布。滦州MS4.3及昌黎MS4.2地震序列定位结果误差分别为NS向72.5 m和70.2 m，EW向62.3 m和68.5 m，UD向88.3 m和87.7 m；滦州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震中位置分别为39.756 3°N、118.723 4°E，39.736 0°N、118.798 0°E和39.735 5°N、118.797 9°E，震源初始破裂深度分别为8.5 km、11.0 km和10.8 km，与其他方法测定的结果基本一致。如图 8所示，2次地震序列的震源分布总体呈NNE向展布，长轴BB'分别约为1.4 km和0.6 km，短轴AA'分别约为0.5 km和0.3 km，震源深度分布范围为7.6~8.5 km和10.1~11.0 km，余震及前震均位于主震之上，表明2次地震均是由深部向浅部破裂。2次地震序列的短轴剖面显示，发震断层面倾向近垂直，倾角陡立。综上可知，滦州MS4.3地震和昌黎MS4.2地震的发震构造特征较为一致，均具有走向NNE、倾向近垂直、倾角陡立的特点，与表 1中节面Ⅰ产状基本吻合。
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图 8 滦州MS4.3和昌黎MS4.2地震序列重定位结果 Fig. 8 Relocated results of Luanzhou MS4.3 and Changli MS4.2 earthquake sequences |
综合滦州MS4.3地震及昌黎MS4.2地震的震源机制解、震源深度及重定位结果，推测其发震断层同为走向NNE、倾角近垂直的走滑断裂。滦州地震和昌黎地震的震中区域存在几条先存断裂，即滦县-乐亭断裂西北段、卢龙断裂、宁河-昌黎断裂、丰台-野鸡坨断裂、巍山-长山南坡断裂、唐山-古冶断裂和陡河断裂(图 1(b))。滦县-乐亭断裂西北段为走向NNE、倾向NE、倾角约42°的逆断层，卢龙断裂为走向NNE、倾向NW、倾角约60°~75°的正断层，宁河-昌黎断裂为走向NEE、倾向SE、倾角70°~80°的正断层，丰台-野鸡坨断裂为走向NE、倾向NW、倾角60°~80°的正断层，巍山-长山南坡断裂为走向NE、倾向NW的高倾角逆断层，唐山-古冶断裂为走向NE、倾向NW、倾角70°~80°的逆断层，陡河断裂为走向NE、倾向SE的高倾角逆断层[1, 3, 17, 20-21]。通过对比发震断层面参数与断裂产状发现，这些断层并不是滦州MS4.3地震和昌黎MS4.2地震的发震断裂。已有研究成果表明，滦州MS7.1地震的主要破裂方向为NNE向，结合其震源机制解结果认为，节面Ⅰ为发震断层面(表 1)，即走向NNE、高倾角的走滑断裂[17]。比较该地震发震断层面参数与上述断裂产状认为，两者并不相符，由此推测，这3次地震的发震构造并不是上地壳的先存断裂，可能与震源区深部构造背景密切相关。
研究结果表明，唐山地区的地震活动与该区复杂的地壳结构有关，莫霍面的局部隆起及壳内高、低速体交错的包体现象是地震发生的重要基础[1-3]。滦州MS7.1地震、滦州MS4.3地震及昌黎MS4.2地震的震源深度分别为10 km、8 km和10.5 km，滦州MS7.1地震震中附近约12~19 km深度范围内存在低速层，即该地震发生于低速层顶部偏刚性的一侧[12-13]，推测滦州MS4.3地震及昌黎MS4.2地震可能也发生于该位置。
5 结语为分析2021年滦州MS4.3地震及2015年昌黎MS4.2地震的发震构造及其与1976年滦州MS7.1地震的成因关联，基于京津冀地区地震台网观测资料，利用CAP方法反演滦州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震源机制及矩心深度，然后采用近震深度震相获得更为准确的震源深度，并结合双差定位法获得地震序列震源分布结果。通过将震源参数结果与区域地质构造资料及滦州MS7.1地震的震源参数结果进行对比分析，获得如下认识：
1) 滦州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震源机制解分别为：节面Ⅰ(走向/倾角/滑动角)211°/85°/168°、189°/68°/161°、190°/61°/170°，节面Ⅱ(走向/倾角/滑动角)302°/78°/5°、286°/72°/23°、285°/81°/29°，结合近震深度震相sPL测定3次地震的震源深度分别为8 km、10.5 km及10.5 km。
2) 滦州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及其MS3.3余震的震中位置分别为39.756 3°N、118.723 4°E，39.736 0°N、118.798 0°E和39.735 5°N、118.797 9°E，震源初始破裂深度分别为8.5 km、11.0 km和10.8 km，地震序列的震源分布主要呈NNE向，震源深度分布范围为7.6~8.5 km和10.1~11.0 km，余震及前震均位于主震之上，表明地震均是由深部向浅部破裂。地震序列短轴剖面显示，发震断层面倾角近垂直，基于震源机制解及地震序列重定位结果推测，滦州MS4.3及昌黎MS4.2地震的发震断层同为走向NNE、倾角近垂直的走滑断裂，与节面Ⅰ参数较为吻合。
3) 基于滦州MS4.3地震、昌黎MS4.2地震及滦州MS7.1地震的震源参数结果，结合区域地质构造等资料分析认为，3次地震的发震构造不是地壳浅部的先存断裂，而可能与震源区地壳内的低速层有关。从深度上看，3次地震发生于低速层顶部偏刚性的一侧，而壳内包体现象是孕育这些地震的共同基础。
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2. School of Information Technology, Hebei University of Economics and Business, 47 Xuefu Road, Shijiazhuang 050061, China;
3. State Key Laboratory of Geodesy and Earth's Dynamics, Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, CAS, 340 Xudong Street, Wuhan 430077, China